阻尼特性光伏發(fā)電論文范文

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1光伏并網對系統(tǒng)阻尼的影響

1.1測試系統(tǒng)本文選取IEEE16機68節(jié)點系統(tǒng)作為測試系統(tǒng)，其中16臺同步發(fā)電機采用經典6階模型，并全部安裝本地電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS），系統(tǒng)負荷全部采用恒阻抗模型（詳細參數(shù)見文獻［11］），如圖3所示，本文測試平臺基于MATLAB／Simulink。在該系統(tǒng)中，區(qū)域1為新英格蘭系統(tǒng)，區(qū)域2為紐約系統(tǒng)，區(qū)域3～5為相鄰區(qū)域等值發(fā)電機。G13和G16承擔了系統(tǒng)主要電力供應，其容量分別為12GW和11GW，其有功出力分別為3．5GW和4GW。紐約系統(tǒng)為重負荷區(qū)域，其負荷總額為8．45GW，但該區(qū)域發(fā)電總額僅為6．28GW，因此需通過相鄰區(qū)域的遠距離輸電以填補此區(qū)域的有功缺額。

1.2光伏發(fā)電不同接入位置對系統(tǒng)阻尼特性的影響為研究光伏發(fā)電不同接入位置對系統(tǒng)阻尼特性的影響，本文分別將測試系統(tǒng)中容量最大的同步發(fā)電機G13與G16用等容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)替代，替代前后的系統(tǒng)小干擾計算結果分別如表1和表2所示。由表1和表2對比可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網后對系統(tǒng)振蕩頻率的影響遠小于對系統(tǒng)阻尼的影響。具體而言，當光伏發(fā)電系統(tǒng)替代同步發(fā)電機G13時，模式1、模式3的阻尼有著顯著提升，而模式8、模式9和模式15的阻尼有小幅改善，其他模式則變化不大。當光伏發(fā)電系統(tǒng)替代同步發(fā)電機G16時，模式1、模式3、模式4的阻尼有不同程度的下降，其中模式4阻尼下降最為明顯，而其他模式變化不大。圖4為原系統(tǒng)發(fā)電機功角在模式1、模式4、模式15情況下的參與因子。由圖可知，同步發(fā)電機G13在模式1的參與因子相對于其他模式較高，同步發(fā)電機G16在模式4的參與因子相對其他模式較高，這就解釋了光伏發(fā)電系統(tǒng)對不同振蕩模式影響大小的原因：光伏發(fā)電系統(tǒng)所替代的同步發(fā)電機在某模式下的參與因子越大，則該模式受光伏發(fā)電系統(tǒng)并網的影響則越大。仿真結果表明，該影響有可能是正面的，也可能是負面的。值得注意的是：由表1和表2對比發(fā)現(xiàn)，當光伏發(fā)電系統(tǒng)替代某臺同步發(fā)電機時，系統(tǒng)振蕩模式減少了一組。這表明光伏發(fā)電系統(tǒng)并不直接參與系統(tǒng)振蕩，而這一組模式的減少是由同步發(fā)電機的退出而造成的。統(tǒng)替代前后的系統(tǒng)部分振蕩模態(tài)圖。為使分析更為直觀，圖5中僅顯示了模值較大的模態(tài)。通過對圖5的分析可知，當光伏發(fā)電系統(tǒng)替代同步發(fā)電機后，系統(tǒng)的振蕩模態(tài)并無明顯變化，這進一步表明了光伏發(fā)電系統(tǒng)不直接參與系統(tǒng)機電振蕩，也不改變系統(tǒng)原有的振蕩模態(tài)。

1.3光伏發(fā)電滲透率對系統(tǒng)阻尼特性的影響通過上文分析可知，不同光伏發(fā)電系統(tǒng)接入位置對系統(tǒng)阻尼的影響不同，因此本文以接入位置節(jié)點65和節(jié)點68為例，分別取光伏滲透率為0％、5％、10％、15％、20％進行計算，系統(tǒng)關鍵模式的阻尼計算結果如圖6所示。圖6列舉了光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同滲透率下變化較大的部分模式。從中可以發(fā)現(xiàn)，當光伏發(fā)電的接入位置不同時，隨著光伏滲透率的提高，對系統(tǒng)阻尼的正面影響或者負面影響將呈增大的趨勢。

1.4接入光伏對系統(tǒng)阻尼特性影響的機理研究通過上述分析可知，當光伏發(fā)電代替?zhèn)鹘y(tǒng)同步發(fā)電機時，對系統(tǒng)阻尼的影響有可能是正面的，也可能是負面的。由上文分析可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)不直接參與系統(tǒng)機電振蕩，因此其對系統(tǒng)阻尼的負面影響主要來源于其本身不具類似于同步發(fā)電機PSS的阻尼控制環(huán)節(jié)，而當其替代了安裝有PSS的同步發(fā)電機時，造成了系統(tǒng)阻尼出現(xiàn)一定程度的下降。為研究光伏發(fā)電系統(tǒng)對系統(tǒng)阻尼特性的影響機理，在最大功率點處，將容量為10MW的光伏發(fā)電動態(tài)模型和相同輸出功率的恒功率靜態(tài)模型接入測試系統(tǒng)的節(jié)點9與節(jié)點1，系統(tǒng)關鍵振蕩模式計算結果如表3所示。由表3可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)采用動態(tài)模型和靜態(tài)模型對系統(tǒng)關鍵模式并沒有太大影響，這也進一步驗證了光伏發(fā)電不直接參與系統(tǒng)機電振蕩。接入光伏發(fā)電對系統(tǒng)的阻尼可能造成一定的正面影響，由于光伏發(fā)電對系統(tǒng)關鍵模態(tài)的影響很小，因此這種情況并不來源于光伏發(fā)電系統(tǒng)本身與相關同步發(fā)電機阻尼轉矩的相互作用，而是接入光伏發(fā)電改變了系統(tǒng)平衡點，進而引起系統(tǒng)潮流的變化，使得在某些情況下對系統(tǒng)的阻尼呈現(xiàn)出提升的現(xiàn)象。當這種影響超過了光伏發(fā)電系統(tǒng)因阻尼控制環(huán)節(jié)的缺失而引起的負面影響，會使得系統(tǒng)阻尼在某些情況下呈現(xiàn)上升趨勢。

2光伏發(fā)電系統(tǒng)的阻尼控制研究

由于受光照強度、占地面積等因素的影響，大規(guī)模光伏發(fā)電基地往往遠離負荷中心，需通過長距離輸電線路進行遠距離消納。由上文分析可知，高滲透率光伏發(fā)電接入電力系統(tǒng)后，由于缺乏類似于同步發(fā)電機PSS等設備，因此難以對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行阻尼控制，可能會對系統(tǒng)阻尼造成一定的負面影響，這給系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平帶來了一定的隱患，增加了系統(tǒng)發(fā)生低頻振蕩的危險。以本文測試系統(tǒng)為例，光伏發(fā)電系統(tǒng)接入節(jié)點68，替代同步發(fā)電機G16向區(qū)域2進行遠距離送電。當區(qū)域2中輸電線路1－30末端在0．1s發(fā)生三相短路故障，在0．2s時該故障清除，則區(qū)域聯(lián)絡線52－50的有功響應如圖7所示。由圖7可知，接入光伏發(fā)電后降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定水平。目前常用的辦法是在光伏發(fā)電基地安裝柔性交流輸電系統(tǒng)或者儲能設備，這無疑大幅增加了安裝、運行以及維護成本。考慮到目前廣域測量系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的廣泛應用，本文將精密測量單元所采集的系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)通過反饋控制環(huán)節(jié)引入光伏發(fā)電的有功控制系統(tǒng)，這給光伏發(fā)電系統(tǒng)的阻尼控制提供了一個新的思路。圖8為本文提出的光伏發(fā)電系統(tǒng)阻尼控制策略，該策略在不改變原光伏發(fā)電系統(tǒng)PQ解耦控制的基礎上，在有功控制信號電壓參考值處引入一個反饋控制環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的阻尼控制。圖9為光伏逆變器存在的3種結構形式。采用圖9a所示的逆變器結構雖控制靈活方便，但在實際運行當中會造成一定的電能質量問題，因此目前光伏并網大多采用如圖9b所示的逆變器結構，而圖9c融合了低成本與高質量的電能輸出的優(yōu)點，因此成為了未來并網逆變器結構的發(fā)展趨勢。圖8所采用的控制策略僅針對圖9a和圖9c兩種光伏逆變器結構所設計。對于圖9b型結構光伏逆變器，仍可采用如圖8所示的控制結構，在設計過程中，需考慮到不同控制器之間的參數(shù)協(xié)調問題，其設計方法與同步發(fā)電機之間PSS協(xié)調控制設計方法類似，可參考相關文獻［13］，本文不再贅述。對于圖9a和9c兩種光伏逆變器結構，其阻尼控制器設計方法如下：首先選取聯(lián)絡線52－50的有功功率作為控制器輸入，控制器輸出則附加在如圖8所示的光伏發(fā)電有功控制環(huán)上。根據(jù)電力系統(tǒng)低頻振蕩基本特性，系統(tǒng)阻尼比越大，其受擾后振蕩衰減到穩(wěn)態(tài)所需的次數(shù)越少，即系統(tǒng)動態(tài)性能越好。因此，在對光伏發(fā)電系統(tǒng)加入如圖8所示的阻尼控制環(huán)節(jié)后，應使系統(tǒng)中存在的較小阻尼比提升至穩(wěn)定范圍，故控制器參數(shù)可采用下式確定。圖10為采用本文控制策略前后，區(qū)域聯(lián)絡線52－50在與圖7相同故障下的有功響應。該圖表明，采用本文控制策略能有效實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)阻尼控制，這降低了光伏并網對系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平可能帶來的負面影響，提高了互聯(lián)電力系統(tǒng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的接納能力。

3結論

（1）大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)并網后，會對系統(tǒng)阻尼特性造成一定的影響，其中對系統(tǒng)振蕩頻率的影響遠小于對系統(tǒng)相關模式阻尼比的影響，并且所替代的同步發(fā)電機在某模式下的參與因子越大，該模式所受的影響則越大。（2）光伏發(fā)電接入系統(tǒng)因接入位置的不同，隨著滲透率的提升，系統(tǒng)阻尼呈現(xiàn)增大或者減小的趨勢，其正面影響主要原因來源于光伏發(fā)電系統(tǒng)對潮流的改變，其負面影響主要來源于光伏發(fā)電系統(tǒng)缺乏類似于同步發(fā)電機PSS的阻尼控制環(huán)節(jié)。（3）大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)并網雖然對系統(tǒng)阻尼特性有一定影響，但并不直接參與同步發(fā)電機直接的機電振蕩，并且在光伏發(fā)電并網前后不改變原有同步發(fā)電機之間的振蕩模態(tài)。（4）利用WAMS信號，將系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)通過反饋控制環(huán)節(jié)引入光伏發(fā)電的有功控制系統(tǒng)是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)阻尼的有效辦法，降低了光伏并網對系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平可能帶來的負面影響，提高了互聯(lián)電力系統(tǒng)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的接納能力。

作者：索江鐳胡志堅劉宇凱張子泳單位：武漢大學電氣工程學院西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室